WO1996020484A1 - Fuel assembly with consumable poison and method for exploiting a reactor by implementation of such assembly - Google Patents

Fuel assembly with consumable poison and method for exploiting a reactor by implementation of such assembly Download PDF

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Jean-Michel Romary
Michel Bonniaud
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Framatome
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Definitions

  • FIG. 1 is a schematic plan view showing the distribution of the fuel rods in a first assembly according to the invention
  • FIG. 3 shows, again by way of example, a possible distribution of fuel assemblies after replacement of one third of the assemblies by new assemblies.
  • the hatched locations are occupied by assemblies that have already made one or two passages in the reactor.

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Abstract

A fuel assembly, intended to a pressurized water reactor, comprises fuel rods at the nodes of a square network containing fuel material. Some of said fuel rods have a first mass content of gadolinium comprised between 5 and 12 %. From four to twelve additionnal rods (16) have a gadolinium content comprised between 0.5 and 2 %.

Description

ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE λ POISON CONSOMMABLE ET PROCEDE D'EXPLOITATION DE REACTEUR METTANT EN OEUVRE UN TEL ASSEM¬ BLAGEFUEL ASSEMBLY λ CONSUMABLE POISON AND METHOD OF OPERATING A REACTOR IMPLEMENTING SUCH AN ASSEMBLY
L'invention concerne les assemblages combustibles pour réacteur à eau sous pression et, plus particulièrement, les assemblages du type comprenant des crayons de combustible répartis aux noeuds d'un réseau carré, dont au moins la plupart contient un matériau combustible qui est, pour la plupart au moins des crayons, de l'oxyde d'uranium enrichi en isotope 235 et/ou en plutonium ; les crayons sont généra¬ lement portés par un squelette ayant deux embouts reliés par des tubes guides et des grilles de maintien des crayons.The invention relates to fuel assemblies for pressurized water reactors and, more particularly, assemblies of the type comprising fuel rods distributed at the nodes of a square network, at least most of which contains a combustible material which is, for the at least most pencils, uranium oxide enriched in isotope 235 and / or plutonium; the pencils are generally carried by a skeleton having two end pieces connected by guide tubes and grids for holding the pencils.
On connaît déjà des assemblages de ce type dans lesquels quelques-uns (moins d'un sur dix en général) des crayons de combustible contiennent un poison neutronique constitué de gadolinium à une teneur massique comprise entre 5 et 12 %. Le rôle du gadolinium est double. Il permet de réduire la réactivité initiale du coeur après un rechargement partiel ou total en assemblages combustibles neufs, du fait de son absorption de neutrons. La disparition progressive du gadoli¬ nium compense l'épuisement progressif du combustible. Grâce à une répartition appropriée des assemblages combustibles contenant du gadolinium dans le coeur, il permet d'arriver à une répartition radiale plus régulière de la puissance, et cela pendant tout un cycle de fonctionnement du coeur avant rechargement .Assemblies of this type are already known in which some (less than one in ten in general) of the fuel rods contain a neutron poison consisting of gadolinium at a mass content of between 5 and 12%. The role of gadolinium is twofold. It makes it possible to reduce the initial reactivity of the core after partial or total reloading in new fuel assemblies, due to its absorption of neutrons. The gradual disappearance of gadoli¬ nium compensates for the progressive exhaustion of the fuel. Thanks to an appropriate distribution of the fuel assemblies containing gadolinium in the core, it makes it possible to arrive at a more regular radial distribution of the power, and this during a whole operating cycle of the core before recharging.
L'utilisation de tels assemblages, où les crayons qui contiennent du gadolinium ont tous la même teneur, a ef ecti¬ vement un effet favorable du point de vue de la réduction de réactivité en début de chaque cycle, avec corrélativement une réduction de la concentration nécessaire en bore dans l'eau, et une bonne distribution radiale du flux neutronique. Mais il n'est plus possible d'arriver à une gestion satisfaisante du coeur, lorsqu'on souhaite allonger la durée de chaque cycle d'utilisation du coeur à des périodes de 18 à 24 mois et/ou lorsqu'il est nécessaire de limiter les fuites neutro- niques radiales pour une meilleure utilisation du combusti¬ ble.The use of such assemblies, where the pencils which contain gadolinium all have the same content, has ef ecti¬ vely a favorable effect from the point of view of the reduction of reactivity at the start of each cycle, with correlatively a reduction in the concentration necessary for boron in water, and a good radial distribution of the neutron flux. But it is no longer possible to achieve satisfactory management of the heart, when it is desired to extend the duration of each cycle of use of the heart to periods of 18 to 24 months and / or when it is necessary to limit the radial neutron leaks for better use of the fuel.
La présente invention vise notamment à fournir un assemblage combustible permettant une gestion plus favorable des coeurs, dans lesquels la réactivité initiale est élevée.The present invention aims in particular to provide a fuel assembly allowing more favorable management of the cores, in which the initial reactivity is high.
L' invention utilise la constatation que 1 'anti-réactivité initiale (c'est-à-dire dans un crayon neuf) apportée par le gadolinium présent dans le crayon n'est pas proportionnelle à sa teneur, mais augmente beaucoup moins vite avec la teneur dès que l'on dépasse une teneur de 1 % environ.The invention uses the observation that the initial anti-reactivity (that is to say in a new pencil) provided by the gadolinium present in the pencil is not proportional to its content, but increases much less quickly with the content as soon as a content of approximately 1% is exceeded.
L'invention propose en conséquence un assemblage du type ci-dessus défini dans lequel les crayons comprennent, en plus de crayons ayant une teneur massique comprise entre 5 et 10 % environ de gadolinium, quatre à douze crayons ayant une teneur comprise entre 0, 5 et 2 %, et ayant avantageusement 1 % environ, de gadolinium. 'anti-réactivité des crayons à faible teneur en gadoli¬ nium diminuera beaucoup plus vite, à partir du début du cycle du réacteur, que celle des crayons à teneur nettement plus élevée. Ainsi, les crayons à faible teneur en gadolinium compensent la forte réactivité excédentaire initiale et permettent de dégager des marges sur le coefficient modéra¬ teur, sans pour autant avoir un effet défavorable sur la distribution radiale de puissance au cours du cycle.The invention therefore proposes an assembly of the type defined above in which the pencils comprise, in addition to pencils having a mass content of between 5 and 10% approximately of gadolinium, four to twelve pencils having a content of between 0.5 and 2%, and advantageously having approximately 1%, of gadolinium. 'Anti-reactivity of pencils with a low gadoli¬ nium content will decrease much faster, from the start of the reactor cycle, than that of pencils with a significantly higher content. Thus, pencils with a low gadolinium content compensate for the high initial excess reactivity and make it possible to generate margins on the moderating coefficient, without however having an unfavorable effect on the radial power distribution during the cycle.
On peut considérer que l'invention permet d'agir indé¬ pendamment sur les deux fonctions du gadolinium, réduire la réactivité initiale et contrôler la distribution radiale du flux. Dans le cas d'une seule teneur, la première fonction n'aurait pu être remplie, pour un cycle long, qu'avec un nombre élevé de crayons à 10 à 12 % de gadolinium qui aurait détérioré le contrôle de la distribution de puissance, en particulier en fin de cycle, lors de la disparition progres¬ sive du gadolinium. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de l'invention, donnés à titre d'exem¬ ples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :It can be considered that the invention makes it possible to act independently on the two functions of gadolinium, to reduce the initial reactivity and to control the radial distribution of the flux. In the case of a single content, the first function could only have been fulfilled, for a long cycle, with a high number of pencils containing 10 to 12% of gadolinium which would have deteriorated the control of the power distribution, in particular at the end of the cycle, during the gradual disappearance of gadolinium. The above characteristics, as well as others, will appear better on reading the description which follows particular modes of the invention, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which:
- la figure 1 est une vue schématique en plan montrant la répartition des crayons de combustibles dans un premier assemblage conforme à l'invention ;- Figure 1 is a schematic plan view showing the distribution of the fuel rods in a first assembly according to the invention;
- la figure 2 montre la variation de 1 'anti-réactivité d'un crayon en fonction de sa teneur en Gd, dans deux assemblages ayant respectivement du combustible oxyde enrichi à 4,50 % d'uranium 235 (courbe en trait plein) et à 3,90 % (courbe en tirets) ;FIG. 2 shows the variation of the anti-reactivity of a pencil as a function of its Gd content, in two assemblies having respectively oxide fuel enriched with 4.50% uranium 235 (curve in solid line) and 3.90% (dashed curve);
- la figure 3 est un schéma montrant une répartition possible des assemblages dans un quart du coeur d'un réacteur nucléaire, suivant un mode de mise en oeuvre des assemblages. - la figure 4, similaire à la figure 1, montre une seconde répartition, à huit crayons à teneur en gadolinium élevée ; et- Figure 3 is a diagram showing a possible distribution of the assemblies in a quarter of the core of a nuclear reactor, according to an embodiment of the assemblies. - Figure 4, similar to Figure 1, shows a second distribution, eight pencils high gadolinium content; and
- les figures 5 et 6 montrent l'évolution du facteur de pic de puissance en cours du temps. On ne décrira pas ici la constitution complète d'un assemblage auquel s ' applique 1 ' invention, car cette constitu¬ tion peut être classique. La figure 1 montre seulement 15 x 15 emplacements occupés par des crayons combustibles et des tubes guides 10 dans un assemblage d'un genre couramment utilisé à l'heure actuelle. L'emplacement central 12 est occupé par un tube d'instrumentation. Les autres emplacements sont occupés par des crayons de combustible.- Figures 5 and 6 show the evolution of the power peak factor over time. We will not describe here the complete constitution of an assembly to which the invention applies, because this constitution can be conventional. Figure 1 shows only 15 x 15 locations occupied by fuel rods and guide tubes 10 in an assembly of a kind commonly used at present. The central location 12 is occupied by an instrumentation tube. The other locations are occupied by fuel rods.
On connaît déjà des assemblages dont seize crayons 14, indiqués par des hachures sur la figure 1, ont une teneur initiale en oxyde de gadolinium de 10 % massique. Cette teneur n'est pas limitative. Pour des réacteurs différents, il serait possible d'adopter une teneur plus faible, par exemple comprise entre 5 % et 10 %. Il serait même possible de dépasser légèrement une teneur de 10 % et d'aller jusqu'à 12 %. Suivant le réacteur les crayons contenant du gadolinium contiennent soit de l'uranium enrichi en U235 ou en pluto- niu , à un enrichissement égal ou inférieur à celui des crayons voisins, soit de l'uranium naturel soit même de l'uranium appauvri. Dans d'autres cas, quatre à douze crayons 14, ou vingt crayons 14 sont prévus. Dans les assemblages actuels, tous les crayons contenant un poison consommable ont la même teneur en gadolinium. Ces crayons sont répartis de façon régulière.Assemblies are already known, of which sixteen rods 14, indicated by hatching in FIG. 1, have an initial content of gadolinium oxide of 10% by mass. This content is not limiting. For different reactors, it would be possible to adopt a lower content, for example between 5% and 10%. It would even be possible to slightly exceed a content of 10% and go up to 12%. Depending on the reactor, the rods containing gadolinium contain either uranium enriched in U235 or pluto- niu, at an enrichment equal to or less than that of neighboring pencils, either natural uranium or even depleted uranium. In other cases, four to twelve pencils 14, or twenty pencils 14 are provided. In current assemblies, all pencils containing consumable poison have the same gadolinium content. These pencils are evenly distributed.
Dans l'assemblage suivant l'invention montré en figure 1, quatre crayons 16, indiqués par des croix, contiennent une faible teneur initiale en gadolinium. Ces crayons 16 sont disposés à proximité des angles de l'assemblage, par exemple à l'avant-dernier emplacement de chaque diagonale, lorsque la répartition des crayons 14 est celle mentionnée plus haut. Le même choix de support en uranium que pour les crayons à 10 % de gadolinium est possible.In the assembly according to the invention shown in FIG. 1, four pencils 16, indicated by crosses, contain a low initial content of gadolinium. These pencils 16 are arranged near the angles of the assembly, for example at the penultimate location of each diagonal, when the distribution of the pencils 14 is that mentioned above. The same choice of uranium support as for 10% gadolinium pencils is possible.
La figure 2 montre que le rapport des anti-réactivités initiales apportées par un crayon 14 et par un crayon 16 n'est pas proportionnel au rapport des teneurs en gadolinium.FIG. 2 shows that the ratio of the initial anti-reactivities provided by a pencil 14 and by a pencil 16 is not proportional to the ratio of the gadolinium contents.
On voit par exemple sur la figure 2 que, pour un assemblage constitué de crayons d'enrichissement initial de 4,50 %We see for example in Figure 2 that, for an assembly consisting of pencils of initial enrichment of 4.50%
(rapport U 235/U 238 + U 235) 1 ' anti-réactivité apportée par(U 235 / U 238 + U 235 ratio) 1 'anti-reactivity provided by
1 % de gadolinium est d'un peu plus de 500 pcm (partie par cent mille) alors que 1 ' anti-réactivité apportée par 8 % de gadolinium n'est que de 750 pcm environ. Une réduction de la teneur initiale en gadolinium dans un rapport de 8 à 1 ne se traduit donc que par une réduction de 1 'anti-réactivité dans un rapport de 1,47 à 1 environ.1% of gadolinium is a little over 500 cfm (part per hundred thousand) while the anti-reactivity provided by 8% of gadolinium is only around 750 cfm. A reduction in the initial gadolinium content in a ratio of 8 to 1 therefore only results in a reduction in the anti-reactivity in a ratio of approximately 1.47 to 1.
La figure 3 montre, toujours à titre d'exemple, une répartition possible d'assemblages combustibles après remplacement d'un tiers des assemblages par des assemblages neufs. Les emplacements hachurés sont occupés par des assemblages ayant déjà effectué un ou deux passages en réacteur.FIG. 3 shows, again by way of example, a possible distribution of fuel assemblies after replacement of one third of the assemblies by new assemblies. The hatched locations are occupied by assemblies that have already made one or two passages in the reactor.
Les assemblages occupant les emplacements qui ne portent aucune indication sont dépourvus de gadolinium. Les autres contiennent quatre crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur, c'est-à-dire 1 % environ. Ils contiennent également soit seize crayons ayant du gadolinium à 10 %, du genre montré en figure 1, soit huit crayons seulement contenant du gadolinium à 10 % à la première teneur, suivant la disposition montrée en figure 4, où les éléments corres¬ pondants à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence.The assemblies occupying the locations which do not bear any indication are devoid of gadolinium. The others contain four pencils containing gadolinium second content, that is to say approximately 1%. They also contain either sixteen pencils having gadolinium at 10%, of the kind shown in FIG. 1, or only eight pencils containing gadolinium at 10% at the first content, according to the arrangement shown in FIG. 4, where the elements corresponding to those in Figure 1 have the same reference number.
Comme on l'a indiqué plus haut, le combustible des crayons contenant du gadolinium peut avoir diverses composi- tions. Cependant, il est apparu en général préférable d'adopter, pour les crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur, un enrichissement proche de celui des crayons avoisinants sans gadolinium.As noted above, the fuel for rods containing gadolinium can have various compositions. However, it has generally appeared preferable to adopt, for pencils containing gadolinium at the second content, an enrichment close to that of neighboring pencils without gadolinium.
Ce résultat apparaît notamment lorsque l'on compare les résultats obtenus avec diverses teneurs du combustible en U235. Des essais ont notamment été effectués avec des assem¬ blages ayant seize crayons à 10 % Gd et quatre crayons à 1 % Gd, les assemblages étant au nombre tel qu'il y ait cent douze crayons à 1 % Gd au total. La figure 5 montre les résultats obtenus avec des crayons à 1 % Gd et combustible en oxyde d'uranium appauvri à 0,25 % d'uranium 235, en oxyde d'uranium enrichi à 2,30 % d'uranium 235 et en uranium enrichi à 3,90 % en uranium 235 (c'est-à-dire en même enrichissement que les crayons sans poison avoisinant) . On constate l'intérêt d'adopter le même enrichissement pour tous les crayons, puisqu'il y a alors peu de dégradation du facteur de pic de puissance radiale Fxy par rapport à une gestion du type actuel, avec une durée de cycle de l'ordre de 350 jepp (jours équivalent pleine puissance) . D'autres essais ont montré que dans tous les cas la concentration initiale en bore pouvait être notablement réduite.This result appears in particular when comparing the results obtained with various fuel contents in U235. Tests have in particular been carried out with assemblies having sixteen pencils at 10% Gd and four pencils at 1% Gd, the assemblies being such that there are one hundred and twelve pencils at 1% Gd in total. Figure 5 shows the results obtained with 1% Gd pencils and fuel made of depleted uranium oxide with 0.25% uranium 235, enriched uranium oxide with 2.30% uranium 235 and uranium enriched to 3.90% with uranium 235 (that is to say, the same enrichment as pencils without neighboring poison). We note the advantage of adopting the same enrichment for all the pencils, since there is then little degradation of the radial power peak factor Fxy compared to a management of the current type, with a cycle time of the order of 350 jepp (full power equivalent days). Other tests have shown that in all cases the initial boron concentration can be significantly reduced.
Le résultat peut être encore amélioré en ajoutant également quatre crayons à 1 % Gd dans les assemblages ne contenant que huit crayons à 10 % Gd, le nombre total de crayons contenant 1 % Gd étant alors de cent soixante pour l'ensemble du coeur. La figure 6 montre la variation du facteur de pic radial Fxy en fonction de l'épuisement pour la gestion de référence et pour un coeur à cent soixante crayons à 1 % Gd sur un combustible enrichi à 2,30 % en U 235.The result can be further improved by also adding four 1% Gd pencils to the assemblies containing only eight 10% Gd pencils, the total number of pencils containing 1% Gd then being one hundred and sixty for the whole heart. FIG. 6 shows the variation of the radial peak factor Fxy as a function of depletion for the reference management and for a core with one hundred and sixty pencils at 1% Gd on a fuel enriched at 2.30% in U 235.
On trouve dans ce cas un écart dans la concentration initiale de bore, par rapport à une gestion de référence, qui atteint - 103 pcm, ainsi qu'une réduction du coefficient de température du modérateur de 1,7 pcm/° C. De nombreuses autres variantes de réalisation sont possibles. L'assemblage peut être de l'un quelconque des types connus, ayant un réseau dont le no bre de noeuds varie entre 14 x 14 et 20 x 20. Les crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur peuvent avoir l'une quelconque de nombreuses dispositions respectant une symétrie de révolution d'ordre 4. En particulier des crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur peuvent être placés dans la rangée de rive ; des crayons peuvent être à des noeuds adjacents à l'emplacement d'un tube guide ou du tube d'instrumentation. Si aucun tube d'instrumentation central n'est prévu, un crayon contenant du gadolinium à la seconde teneur peut être placé au centre de l'assemblage. In this case we find a difference in the initial concentration of boron, compared to a reference management, which reaches - 103 cfm, as well as a reduction in the temperature coefficient of the moderator of 1.7 cfm / ° C. Many other alternative embodiments are possible. The assembly can be of any of the known types, having a network of which the number of nodes varies between 14 x 14 and 20 x 20. The pencils containing gadolinium in the second content can have any of many arrangements respecting a symmetry of revolution of order 4. In particular pencils containing gadolinium in the second grade can be placed in the edge row; pencils can be at nodes adjacent to the location of a guide tube or instrumentation tube. If no central instrumentation tube is provided, a pencil containing gadolinium in the second grade can be placed in the center of the assembly.

Claims

REVENDICATIONS
1. Assemblage combustible pour réacteur à eau sous pression, comprenant des crayons répartis aux noeuds d'un réseau carré et contenant du matériau combus ible, certains des crayons (14) ayant une première teneur massique en gadolinium, comprise entre 5 et 12 %, caractérisé en ce que quatre à douze crayons supplémentaires (16) ont une seconde teneur massique en gadolinium, comprise entre 0,5 et 2 %. 1. Fuel assembly for a pressurized water reactor, comprising rods distributed at the nodes of a square network and containing combustible material, some of the rods (14) having a first mass content of gadolinium, of between 5 and 12%, characterized in that four to twelve additional pencils (16) have a second mass content of gadolinium, of between 0.5 and 2%.
2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible des crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur est constitué par de l'oxyde d'uranium à un enrichissement en U 235 inférieur ou égal à ce lui des crayons avoisinants qui ne contiennent pas de gadolinium. 2. An assembly according to claim 1, characterized in that the fuel of the rods containing gadolinium at the second content consists of uranium oxide with an enrichment in U 235 less than or equal to that of neighboring rods which do not do not contain gadolinium.
3. Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le combustible des crayons contenant du gadolinium à la première teneur est constitué par de l'oxyde d'uranium naturel, appauvri ou enrichi en uranium 235. 3. Assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the fuel of the pencils containing gadolinium at the first content consists of natural uranium oxide, depleted or enriched in uranium 235.
4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les crayons contenant du gadolinium à la première teneur sont au nombre de quatre à vingt.4. Assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the pencils containing gadolinium in the first content are four to twenty in number.
5. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte quatre crayons à5. Assembly according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises four pencils to
1 % de gadolinium, situés à des emplacements sur les diagona¬ les du réseau dans la dernière rangée avant la rangée de rive.1% of gadolinium, located at locations on the diagonals of the network in the last row before the bank row.
6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur sont répartis, avec une symétrie de révolution d'ordre 4, dans la rangée de rive.6. An assembly according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the rods containing gadolinium in the second content are distributed, with a symmetry of revolution of order 4, in the bank row.
7. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, caractérisé en ce que les crayons contenant du gadolinium à la seconde teneur sont répartis, avec une symétrie de révolution d'ordre 4, en des noeuds du réseau adjacents aux noeuds occupés par des tubes guides ou un tube d'instrumentation central.7. Assembly according to any one of claims 1 to 4 and 6, characterized in that the pencils containing gadolinium at the second content are distributed, with a symmetry of revolution of order 4, in nodes of the network adjacent to the nodes occupied by guide tubes or a central instrumentation tube.
8. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dépourvu de tube d'instrumentation central, caracté- risé en ce qu'un crayon contenant du gadolinium à la seconde teneur est placé au centre de l'assemblage.8. Assembly according to any one of claims 1 to 7, devoid of central instrumentation tube, characterized in that a pencil containing gadolinium in the second content is placed in the center of the assembly.
9. Procédé d'exploitation de réacteur, à plusieurs passa¬ ges successifs d'un même assemblage dans le réacteur à des emplacements différents dans le coeur, caractérisé en ce que l'on répartit dans le coeur d'une part des assemblages selon l'une quelconque des revendications précédentes, à huit crayons contenant du gadolinium à la première teneur, à proximité de la périphérie du coeur, et d'autre part des assemblages suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Process for operating a reactor, with several successive passes of the same assembly in the reactor at different locations in the core, characterized in that a portion of the assemblies is distributed in the core according to l 'any one of the preceding claims, with eight pencils containing gadolinium in the first content, close to the periphery of the heart, and on the other hand assemblies according to any one of the preceding claims.
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